全 文 ：第 33 卷 第 4 期
2014 年 8 月
南昌工程学院学报
Journal of Nanchang Institute of Technology
Vol． 33 No． 4
Aug． 2014
收稿日期:2014 － 06 － 20
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31370465);973 计划前期专项课题(2012CB722203)
作者简介:陈 坦(1990 －)，男，硕士生，228608513@ qq． com．
通讯作者:谢锦升(1972 －)，男，博士，教授，jshxie@ 163． com．
文章编号:1674 － 0076(2014)04 － 0023 － 05
植被恢复过程中芒萁对侵蚀红壤碳氮库的影响
陈 坦1，江 军1，杨燕华1，吕茂奎1，胥 超1，付林池1，杨玉盛1，2，谢锦升1，2
(1．湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建 福州 350007;2．福建师范大学 地理研究所，福建 福州 350007)
摘 要:选择未治理地、治理 10 a与 30 a的马尾松林为研究对象，对比林下有芒萁覆盖( MQ) 与林下裸露地( CK)
土壤碳氮储量的差异．结果表明，未治理地芒萁覆盖度和生物量均很低，治理 10 a和 30 a的马尾松林下芒萁覆盖度
和生物量显著增加．各林地芒萁覆盖下的土壤( 1 m) 有机碳、氮储量均显著高于林下裸露地( P ＜ 0． 05) ;治理 10 a
和 30 a马尾松林土壤有机碳、氮储量分别比未治理地增加了 153%和 296%、24%和 101% ;治理后芒萁覆盖下的土
壤有机碳积累快于氮的积累，总体上芒萁覆盖的土壤 C /N均高于林下裸露地．以上结果显示了芒萁对侵蚀红壤区
土壤有机碳的恢复和氮素积累具有重要影响．
关键词:芒萁; 土壤有机碳; 土壤全氮，植被恢复;侵蚀红壤
中图分类号:S714． 1 文献标识码:A
Effects of dicranopteris dichotoma on soil organic carbon and soil total
nitrogen during revegetation process in red soil erosion area
CHEN Tan1，JIANG Jun1，YANG Yanhua1，LV Maokui1，XU Chao1，
FU Linchi1，YANG Yusheng1，2，XIE Jinsheng1，2
(1． State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China;
2． Institute of Geographical Sciences，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China)
Abstract:Dicranopteris dichotoma is the most important understory vegetation in the eroded area of red
soil in southern China，but its contribution to the accumulation of soil organic carbon (SOC)and soil total
nitrogen (STN)is poorly understood． In this study，this paper quantifies SOC and STN storage between
D． dichotoma-covered soil (MQ)and soil without D． dichotoma coverage (CK)in a severely eroded land
and two Pinus massoniana plantations (PM)(10-year-old and 30-year-old)． Ｒesults show that:The cov-
erage and biomass of MQ sees the lowest in the severely eroded land，but it increases significantly in 10-
year-old and 30-year-old Pinus massoniana． The SOC and STN storage of MQ treatment are significantly
higher than those in the bare land of CK (P ＜ 0． 05)． Compared to severely eroded land，SOC storage in-
crease by 153% and 296% in 10-year-old and 30-year-old Pinus massoniana，respectively，and the figure
for STN is 24% and 101% ． Such results imply that the accumulation rate of SOC is faster than that of
STN with Pinus massoniana treatment，and the C:N ratio is generally higher with MQ covered than in bare
land． In conclusion，D． dichotoma has a significant effect on SOC and STN accumulation in red soil erosion
regions．
Key words:Dicranopteris dichotoma;soil organic carbon;soil total nitrogen;revegetation;eroded red soil
中国是世界上遭受土壤侵蚀退化最严重的国家之一，南方红壤区是仅次于黄土高原的第二大侵蚀退化
区，特别是花岗岩发育的红壤大面积退化，严重者成为不毛之地的“红色沙漠”．马尾松(Pinus massoniana)是
我国南方红壤区最重要的水土保持先锋乡土树种，侵蚀红壤区存在着大面积恢复的马尾松林，但林下植被的
恢复却没有受到足够重视，引起大量的林下水土流失［1］．芒萁(Dicranopteris dichotoma)是马尾松林下植被中
最重要的植物，不仅能保持水土，还影响着树木更新、森林演替等许多重要的生态系统过程，但芒萁对土壤碳
氮积累的贡献并未受到重视［2 － 3］．因此本研究以不同治理年限的马尾松林为研究对象，对比林下芒萁覆盖地
与裸露地土壤的碳氮库变化，探讨芒萁对土壤有机碳和全氮的贡献与影响，为侵蚀红壤区土壤有机碳的恢复
和土壤氮素累积提供基础数据和理论依据，同时为红壤区生态恢复过程中林下植被的选择提供借鉴．
1 材料与方法
1． 1 研究区概况
研究区位于福建西部的长汀县河田镇(116°18 ～ 116°31E，25°33 ～ 25°48N)，属中亚热带季风气候区．
年均降雨量 1 737 mm，年均气温 17． 5 ～ 18． 8 ℃，平均无霜期 260 d，平均日照时数 1 924. 6 h，≥10 ℃积温为
4 100 ～ 4 650 ℃ ．河田镇属河谷盆地，低山高丘环抱四周，土壤为燕山运动早期形成的中粗粒花岗岩发育的红
壤，抗蚀能力低，地带性植被(常绿阔叶林)被破坏殆尽，现有植被主要以马尾松次生林和人工林为主．河田镇是
全国极强度水土流失区之一，许多地方表土层丧失殆尽，植被恢复困难．试验地包括未治理地以及治理 10 a 与
30 a的马尾松林，治理前均为 A层土壤流失殆尽，B层出露，本底条件相似．各试验地基本情况如下:
未治理地:土壤侵蚀严重，植被以稀疏的马尾松小老头树为主．调查时马尾松平均胸径 4． 3 cm，平均树
高 3． 1 m，密度 350 株 /hm2，平均坡度 10°，地表长有少量芒萁，盖度约 10% ．
治理 10 a 的马尾松林:2001 年治理，调查时马尾松平均树高 7． 38 m，平均胸径 8． 92 cm，密度
2 741 株 /hm2，平均坡度 8°，林下植被以芒萁占绝对优势，盖度达 87% ．
治理 30 a 的马尾松林:1981 年治理，调查时马尾松平均树高 14． 3 m，平均胸径 16． 9 cm，密度
1 038 株 /hm2;木荷平均树高 10． 1 m，平均胸径 12． 6 cm，密度 338 株 /hm2;杉木平均树高 5． 8 m，平均胸径
7. 0 cm，密度 700 株 /hm2，平均坡度 18°，林下植被以芒萁为主，盖度约 85%，偶见狗脊等草本植物．
1． 2 研究方法
2011 年 12 月下旬，在每个试验地设立 3 个 20 m ×20 m的样地．在每个样地的上中下坡芒萁覆盖区与裸
露区用内径为 5 cm的取土钻按 0 ～ 10 cm、10 ～ 20 cm、20 ～ 40 cm、40 ～ 60 cm、60 ～ 80 cm、80 ～ 100 cm分层取
土，每个样地共 5 个取样点分层混合，不同坡位芒萁覆盖区与裸露区(对照)的取样点一一对应．同时，用环
刀法测定芒萁覆盖区与裸露区的土壤容重，并在芒萁覆盖区设立 5 个 1 m × 1 m 的小样方，调查芒萁地上与
地下生物量．
取回的部分新鲜土样在实验室拣去石砾、植物根系和大于 2 mm的碎屑，风干后过 0． 149 mm土壤筛，存
于密闭自封袋中，用碳氮元素分析仪(Vario Max CNS)测定土壤 C、N 含量．为了便于比较，将芒萁覆盖区的
土壤样品标记为MQ，对照区的土壤样品标记为 CK，与之对应的未治理地、治理 10 a与 30 a的马尾松林芒萁
覆盖区与对照区的土壤样品分别标记为 MQ1，CK1;MQ2，CK2以及 MQ3，CK3 ．
土壤碳(氮)库储量采用下述公式计算:
SOCP(N)= d × ρ ×(1 － f)× c × 10 －1 ．
式中 SOCP(N)为每一土层土壤碳(氮)库储量(t· hm －2);d 为每一土层厚度(cm) ;ρ 为土壤容重
(g·cm －3);f为每一土层 ＞ 2 mm石砾含量(%);c为每一土层深度有机碳(全氮)含量(g·kg －1)．
试验地土壤有机碳(氮)储量根据 MQ与 CK 各自的面积比例，由 MQ 与 CK 土壤碳(氮)库储量采用加
权平均数的方法计算得出．
1． 3 数据分析
采用 SPSS 17． 0 软件对实验结果进行统计分析，用单因素方差分析(one-way ANOVA)比较 MQ与 CK两
组数据的差异性，相关图表用 Excel 2003 完成．
2 结果与分析
2． 1 芒萁生物量
未治理地芒萁覆盖度极低，仅为 10%，而治理 10 a与 30 a的马尾松林，芒萁覆盖度均达到 80%以上．治
理 10 a与 30 a马尾松林的芒萁总生物量无显著差异，分别为未治理地的 2． 85 倍和 2． 38 倍，地上生物量分
别为未治理地的 3． 04 倍和 2． 62 倍，芒萁根系生物量分别为未治理地的 2． 60 倍和 2． 06 倍(见表 1)．
42 南昌工程学院学报 2014 年
表 1 试验地芒萁覆盖区地上与地下生物量
试验地 芒萁盖度
/
%
芒萁高度 /
cm
地上生物量 /
(g·m －2)
根系生物量 /
(g·m －2)
总生物量 /
(g·m －2)
未治理地 10 23 290． 9 222． 7 513． 6
治理 10 a马尾松林 87 71 884． 3 579． 5 1 463． 8
治理 30 a马尾松林 85 59 763． 2 459． 4 1 222． 6
2． 2 芒萁对土壤有机碳储量的影响
由表 2 可以看出，芒萁覆盖下不同深度的土壤有机碳储量均显著高于裸露地(P ＜ 0． 05)，MQ1，MQ2与
MQ3土壤(1 m)有机碳储量分别比 CK1、CK2与 CK3高 216%，110%和 75% ． MQ2土壤有机碳储量与 MQ1没有
显著差异，而显著低于 MQ3土壤有机碳储量(P ＜ 0． 05);CK2和 CK3土壤有机碳储量均显著高于 CK1(P ＜
0. 05)，分别是 CK1的 1． 57 倍和 2． 95 倍．
表 2 试验地 MQ与 CK土壤有机碳储量 (t·hm －2)
土层深度 /
cm
未治理地
MQ1 CK1
治理 10 a马尾松林
MQ2 CK2
治理 30 a马尾松林
MQ3 CK3
0 ～ 20 11． 21 ± 0． 68b 2． 73 ± 0． 04a 15． 11 ± 0． 90c 5． 66 ± 0． 18a 26． 06 ± 3． 90d 14． 79 ± 0． 95c
20 ～ 40 7． 01 ± 0． 80d 1． 90 ± 0． 39a 6． 46 ± 1． 04bd 2． 96 ± 0． 02ac 10． 46 ± 1． 40e 5． 46 ± 0． 43bc
40 ～ 60 5． 10 ± 0． 03c 1． 95 ± 0． 43a 3． 75 ± 0． 18b 2． 59 ± 0． 18a 5． 38 ± 0． 44c 3． 75 ± 0． 61b
60 ～ 80 3． 53 ± 0． 49de 1． 47 ± 0． 31a 3． 23 ± 0． 25d 2． 08 ± 0． 35ac 4． 04 ± 0． 01e 2． 34 ± 0． 65bc
80 ～ 100 3． 23 ± 0． 35b 1． 46 ± 0． 31a 2． 89 ± 0． 33b 1． 65 ± 0． 34a 3． 07 ± 0． 31b 1． 77 ± 0． 54a
合计 30． 08 ± 1． 44cd 9． 52 ± 0． 74a 31． 44 ± 2． 19de 14． 95 ± 0． 92b 49． 01 ± 3． 32f 28． 11 ± 1． 01c
注:表中数据为平均值(mean)±标准差(SD)，n = 3．;同一行数据后字母完全不同者表示差异显著(P ＜ 0． 05)．下同．
经加权平均计算，未治理地土壤有机碳储量为 11. 58(t·hm －2)，治理 10 a马尾松林和治理 30 a 马尾松
林土壤有机碳储量分别为 29． 30(t·hm －2)和 45． 87(t·hm －2)(图 1) ，治理 10 a 与 30 a 的马尾松林土壤有
机碳储量分别是未治理地的 2． 53 倍和 3． 96 倍．未治理地芒萁覆盖下土壤有机碳储量仅占有机碳总储量的
图 1 土壤有机碳储量随着植被恢复年限的变化
26%，而裸露地土壤有机碳储量占 74% ．治理 10 a 和 30 a 马尾
松林其芒萁覆盖下土壤有机碳储量占有机碳储量的比例分别上
升到 93%和 90%，而两者裸露地土壤有机碳储量仅占 8%和
10% ．而且，MQ2和 MQ3土壤有机碳储量分别是 CK1的 3． 30 倍和
5． 15 倍，而 CK2和 CK3土壤有机碳储量分别是 CK1的 1． 57 倍和
2． 95 倍，说明林下裸地经芒萁的生长和覆盖之后，其土壤有机碳
储量得到了大幅度的增加．
2． 3 芒萁对土壤氮储量的影响
由表 3 可以看出，MQ1和 MQ3在各土层土壤氮储量均显著高于 CK1和 CK3，MQ2与 CK2只有土壤表层
(0 ～ 20 cm)有显著差异(P ＜ 0． 05)，深层土壤(20 ～ 100 cm)并无显著差异．与 MQ1相比，MQ3的土壤(1 m)
氮储量有显著的增加，但是 MQ2土壤(1 m)氮储量并没有增加，在 40 cm 土层以下甚至低于 MQ1和 MQ3．与
CK1相比，CK2土壤氮储量没有显著变化，CK3土壤氮储量显著增加(P ＜ 0． 05)．
表 3 试验地 MQ与 CK土壤氮储量 (t·hm －2)
土层深度 /
cm
未治理地
MQ1 CK1
治理 10 a马尾松林
MQ2 CK2
治理 30 a马尾松林
MQ3 CK3
0 ～ 20 0． 52 ± 0． 071b 0． 24 ± 0． 045a 0． 54 ± 0． 002bc 0． 32 ± 0． 034a 1． 07 ± 0． 190d 0． 71 ± 0． 091c
20 ～ 40 0． 35 ± 0． 047cd 0． 20 ± 0． 048a 0． 30 ± 0． 025ac 0． 23 ± 0． 040ab 0． 50 ± 0． 110e 0． 33 ± 0． 034bc
40 ～ 60 0． 34 ± 0． 043b 0． 23 ± 0． 036a 0． 22 ± 0． 031a 0． 20 ± 0． 004a 0． 30 ± 0． 034b 0． 22 ± 0． 039a
60 ～ 80 0． 28 ± 0． 045b 0． 21 ± 0． 044a 0． 19 ± 0． 006a 0． 18 ± 0． 034a 0． 27 ± 0． 003b 0． 20 ± 0． 013a
80 ～ 100 0． 26 ± 0． 051d 0． 16 ± 0． 044a 0． 18 ± 0． 002ac 0． 18 ± 0． 032ac 0． 23 ± 0． 022d 0． 18 ± 0． 010ac
合计 1． 75 ± 0． 051cd 1． 05 ± 0． 038a 1． 43 ± 0． 013b 1． 12 ± 0． 029a 2． 37 ± 0． 072e 1． 65 ± 0． 037b
经加权平均计算，未治理地土壤氮储量为 1． 12(t·hm －2)，治理 10 a 马尾松林和治理 30 a 马尾松林土
壤氮总储量分别为 1． 39(t·hm －2)和 2． 25(t·hm －2)(图 2) ，治理 10 a 马尾松林比未治理地土壤氮储量仅
增加了 24%，治理 30 a马尾松林比未治理地土壤氮储量却增加了 101% ．未治理地芒萁覆盖土壤有机氮储量
52第 4 期 陈 坦，等:植被恢复过程中芒萁对侵蚀红壤碳氮库的影响
仅占土壤氮储量的 16%，而裸露地的土壤氮储量占土壤氮储量的比例达到了 84% ．治理 10 a和 30 a马尾松林
其芒萁覆盖下土壤氮储量占氮总储量的比例分别上升到 90%和 89%，而两者裸露地土壤氮储量仅占氮总储量
图 2 土壤储量随着植被恢复年限的变化
的 8%和10% ．与未治理地相比，治理10 a和30 a马尾松林土壤氮
储量增加的幅度比其土壤有机碳储量增加的幅度要小很多．
2． 4 芒萁对土壤 C /N的影响
芒萁覆盖地土壤 C /N 介于 12． 41 ～ 27． 53 之间，裸地土壤
C /N介于 6． 89 ～ 21． 68 之间(表 4)，MQ1和 MQ2各土层土壤 C /N
均显著高于 CK1和 CK2(P ＜ 0． 05)，但是 MQ3与 CK3部分土层
C /N的差异不显著．总体上，随着治理年限增加，芒萁覆盖下土壤
C /N呈先增加后减小的趋势，而裸露地土壤 C /N呈递增趋势．
表 4 试验地 MQ与 CK土壤 C /N (t·hm －2)
土层深度 /
cm
未治理地
MQ1 CK1
治理 10 a马尾松林
MQ2 CK2
治理 30 a马尾松林
MQ3 CK3
0 ～ 10 22． 00 ± 0． 36bc 12． 14 ± 1． 97a 27． 53 ± 3． 59d 20． 82 ± 0． 89b 24． 52 ± 2． 64cd 21． 68 ± 0． 89bc
10 ～ 20 20． 93 ± 1． 73b 10． 83 ± 0． 01a 28． 33 ± 0． 21d 12． 89 ± 0． 94a 23． 88 ± 2． 45c 18． 73 ± 0． 98b
20 ～ 40 19． 90 ± 2． 06c 9． 32 ± 0． 65a 21． 19 ± 1． 81c 12． 90 ± 2． 11ab 21． 10 ± 2． 79c 16． 55 ± 2． 83bc
40 ～ 60 15． 09 ± 1． 97b 8． 56 ± 0． 55a 17． 08 ± 3． 38b 12． 86 ± 0． 66a 17． 65 ± 3． 76b 16． 76 ± 2． 03b
60 ～ 80 12． 62 ± 1． 47bc 6． 89 ± 0． 06a 17． 33 ± 1． 15de 11． 46 ± 0． 90b 15． 12 ± 0． 14d 11． 46 ± 2． 46bc
80 ～ 100 12． 41 ± 1． 73b 8． 90 ± 1． 96a 16． 27 ± 1． 79c 8． 94 ± 0． 32a 13． 32 ± 0． 09b 9． 74 ± 2． 43a
3 讨论
植被恢复不仅是防治土壤侵蚀的重要措施，也是影响土壤有机碳积累的重要因素［4］．在本研究中，红壤
严重侵蚀地植被恢复过程中芒萁覆盖地的土壤有机碳储量显著高于裸露地(图 1，表 2)，而且与未治理相
比，治理 10 a马尾松林和治理 30 a马尾松林土壤有机碳储量大幅度增加．首先，土壤有机碳主要来源于植物
凋落物和地下死根［5 － 7］，与未治理地相比，治理 10 a马尾松林和治理 30 a 马尾松林芒萁盖度由 10%分别增
加到了 87%和 85%，地上和地下生物量大幅度的增加，地表大量芒萁枯死物以及土壤中密布成网的芒萁根
系提供了丰富的有机碳源．其次，芒萁盖度的增加可以减少由于降水侵蚀而造成的土壤有机碳与养分的流
失．研究表明，无芒萁覆盖的裸露地由于缺少植被的保护，本区强大降雨导致马尾松林下水土大量流失，土壤
养分随地表径流和泥沙一起迁移出森林生态系统，打破了养分元素输入与输出之间的平衡，使林地土壤养分
出现高度贫瘠化［8］．再次，芒萁的生长改善了土壤环境，芒萁的覆盖降低了地表温度，增加了土壤的含水量
和土壤湿度，同时还能截留更多的降水，减少了地表径流，增加水分在土壤中的渗透，刺激马尾松的生长，促
进整个生态系统的养分循环和能量流动［9］．研究发现植被恢复可以改善小生境，减少土壤侵蚀，从而减少了
土壤有机碳的矿化损失和侵蚀损失［10 － 11］．芒萁的生长不仅极大地增加了土壤有机碳储量，而且提高了土壤
氮储量．林地土壤氮储量的变化主要取决于凋落物、根系分泌物和微生物残体及其代谢产物［12］．本研究中植
被恢复过程中土壤氮储量的增加，一方面由于大量芒萁枯死物增加了氮素的归还，另一方面由于降水对芒萁
和马尾松林的淋溶作用［13］．治理 10 a马尾松林土壤氮储量与未治理地相比并没有显著的增加，治理 10 a 马
尾松林芒萁覆盖地土壤氮储量较之未治理地土壤氮储量甚至还有所减少，造成这种现象的原因可能是养分
积累与消耗之间存在一个动态平衡过程［14］，治理 10 a马尾松林由于芒萁的生长与蔓延改善了土壤质量，从
而极大地促进了马尾松的生长，芒萁和马尾松的生长又对土壤可获得性 N的需求有很大程度的增加［15］．随
着恢复年限的增加，植被结构改善，植被覆盖度增加，土壤侵蚀已基本被控制，物质循环已较为畅通［16］，土壤
氮素逐渐满足植物生长和微生物利用的需求［17 － 18］，土壤氮素处于一个稳定的积累过程，因此治理 30 a 马尾
松林土壤氮储量较之未治理地和治理 10 a马尾松林有明显的增加．
通常，土壤有机碳氮储量大小与地上凋落物和地下根系碳氮含量、化学组成和 C /N 有关［19 － 20］．本研究
中，植被恢复过程中芒萁覆盖下土壤有机碳氮储量均显著高于裸露地，而且芒萁覆盖下土壤有机碳储量的变
化幅度明显高于氮储量的变化．这是因为芒萁枯落物分解后进入土壤，使得土壤有机碳氮储量增加，而碳氮
62 南昌工程学院学报 2014 年
储量变化幅度的差异可能是因为芒萁枯落物较高的 C /N、木质素 /N 所引起［21］．植被恢复过程中，芒萁覆盖
下土壤 C /N呈先增加后减小的趋势，而且显著高于裸露地土壤 C /N，这一方面说明植被恢复为土壤有机碳
氮的积累提供了来源，另一方面说明芒萁较高的 C /N使得芒萁覆盖下土壤 C /N较裸露地高，也就是芒萁覆
盖下土壤有机碳的积累高于氮的积累量．土壤 C /N 值大小可用来反映土壤中有机碳的累积与分解状况，一
般介于 10 ～ 28．当 C /N 值较高时，表明土壤有机碳有积累趋势;当 C /N值较低时，则表明土壤有机碳趋于损
失［22］．此外，芒萁凋落物较高的木质素和较低的养分也限制了土壤分解者的利用，提高了土壤的 C /N 比，说
明芒萁对于红壤严重侵蚀地土壤有机碳的积累作用明显高于氮的固定．
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(注:本文由南方水土保持研究会推荐)
72第 4 期 陈 坦，等:植被恢复过程中芒萁对侵蚀红壤碳氮库的影响